我國南方地區由于雨水和管網(wǎng)等因素導致城市污水的低碳源以及碳氮磷比例失調等問(wèn)題，一直困擾著(zhù)許多城鎮污水廠(chǎng)的正常運行，由于工藝系統長(cháng)期在低有機負荷狀態(tài)下運行，無(wú)法為微生物提供足夠的養分，降低微生物活性，加劇了氮磷同時(shí)高效穩定去除的難度，易造成出水水質(zhì)不達標和能源的浪費。如何合理地利用廢水中的有機碳源是解決生物脫氮除磷工藝處理低濃度廢水的關(guān)鍵所在。傳統生物除氮脫磷工藝多為單一污泥(single sludge)懸浮生長(cháng)系統，即利用同一混合微生物種群完成有機物氧化、硝化、反硝化和生物除磷。其多種處理功能的高度關(guān)聯(lián)性增大了運行控制的難度，在實(shí)際應用中限制了其處理效能。近年來(lái)，利用2 種污泥系統(簡(jiǎn)稱(chēng)“雙泥”) 進(jìn)行廢水的脫氮除磷的研究取得了很大進(jìn)展，這些工藝的共同特點(diǎn)都是把不同種群的微生物在不同的反應器中分別培養，創(chuàng )造各自適宜生長(cháng)條件，盡量降低不同種群微生物由于新陳代謝習性的不同所產(chǎn)生的競爭抑制關(guān)系，并通過(guò)一碳兩用等途徑達到較好的脫氮除磷效果，如Dephanox 工藝、A2NSBR工藝、A2N 工藝、PASF 工藝等。無(wú)論是雙泥工藝和傳統的單一污泥系統，其污泥回流均在各自流程系統內循環(huán)，在多組并聯(lián)系統之間的污泥轉移利用鮮有報道。污泥轉移技術(shù)是以傳統SBR工藝為基礎，通過(guò)在不同SBR池之間進(jìn)行活性污泥的部分轉移，提高系統的除污性能，并減輕后續沉淀工序的負荷，實(shí)現對活性污泥利用的最大化。為解決現行工藝缺陷提出了一種新思路。以某低濃度城市污水為水源，進(jìn)行了污泥轉移與新工藝除污性能以及SBR容積利用率的實(shí)驗研究。
1 實(shí)驗材料與方法
1．1 實(shí)驗裝置
實(shí)驗裝置由前置厭氧反應器、3 個(gè)序批式(SBR) 反應器兩部分構成(見(jiàn)圖1)，每個(gè)SBR中設有泥斗。其單體有效容積分別為10 m3和33 m3 (單個(gè)SBR泥斗容積約3. 6 m3) 。SBR池內設進(jìn)水管、微孔曝氣裝置和潷氺器，選擇器內設攪拌裝置。進(jìn)水、污泥回流通過(guò)兩臺泵控制。由電磁閥和空氣閥分別控制SBR的進(jìn)水、污泥回流(轉移)、出水和曝氣，所有閥門(mén)和水泵的啟閉均采用PLC 自動(dòng)控制。
污水與回流(轉移) 污泥一起首先進(jìn)入厭氧選擇器攪拌混合充分釋磷后進(jìn)入SBR池，厭氧選擇器借助高負荷梯度產(chǎn)生的“選擇壓力”篩選出絮凝性細菌，以保證污泥具有良好的沉降性能，同時(shí)始終保持厭氧攪拌，為聚磷菌提供釋磷環(huán)境。3 個(gè)SBR池依次按進(jìn)水、曝氣、沉淀和潷水過(guò)程進(jìn)行循環(huán)，用于實(shí)現去除COD、反硝化和攝磷等功能，沉淀后清水排放。污泥轉移的實(shí)現是通過(guò)污泥回流泵將處于沉淀撇水階段SBR池泥斗中污泥回流至另一進(jìn)水階段的SBR池，因此文中的用污泥回流比表征污泥的轉移量。
圖1 工藝實(shí)驗裝置運行系統示意圖
Fig．1 Schematic of experimental apparatus
1．2 實(shí)驗方法
活性污泥取自某城市污水處理廠(chǎng)氧化溝工藝的好氧段; 實(shí)驗用水來(lái)自蘇州某醫院的生活污水，該醫院生活污水污染物含量較低。實(shí)驗期間的原水水質(zhì)如下: BOD5 38～86 mg /L，COD 80～244 mg /L，PO43-0. 6～1. 8 mg /L，NH4+-N 9. 8～18. 4 mg /L，pH6. 5～8. 5。由于進(jìn)水各項污染物濃度偏低，故SBR運行周期設為3 h，運行模式見(jiàn)表1，考察污泥回流比對系統充水比、污泥沉降性能以及除污效能的影響。
1. 3 實(shí)驗分析測定方法
主要水質(zhì)分析項目及測定方法為: COD (重鉻酸鉀法)、NH4+-N (納氏試劑分光光度法)、TP(過(guò)硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法)、NO3--N(高錳酸鉀氧化-酚二磺酸分光光度法)、TN(過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法) ; MLSS(Myratek 污泥濃度測定儀)、DO 和pH(WTW Ph /Oxi 340i 便攜快速測定儀) 。其他參數測定方法均參見(jiàn)文獻。
2 實(shí)驗結果與討論
2．1 不同污泥轉移量(R污)下COD 的去除
不同污泥轉移量下系統對COD 的去除效果見(jiàn)圖2。在低濃度城市污水條件下，有污泥轉移的SBR對COD 的去除效率低于傳統SBR工藝，隨著(zhù)污泥轉移量的增加，進(jìn)水負荷明顯增加。污泥轉移SBR工藝出水COD 濃度能夠達到國家《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》(GB18918-2002) 一級排放標準。污泥回流比為30% 時(shí)，進(jìn)水COD 容積負荷范圍為0. 35～0. 68 kg COD/(m3•d) 。平均去除率為65%; 污泥回流比為15% 時(shí)，進(jìn)水COD 容積負荷范圍為0. 39～0. 66 kg COD/(m3•d) 。平均去除率為70%; 污泥回流比為0% 時(shí)，進(jìn)水COD 容積負荷范圍為0. 19～0. 58 kg COD/(m3•d)，平均去除率為75%。
圖2 不同污泥轉移量下COD 的去除
Fig. 2 COD removal under different volumes of sludge transfer
圖2 表現出相同污泥轉移量下系統COD 去除率隨進(jìn)水負荷的增加而提高，是由于系統的進(jìn)水污染物濃度明顯低于傳統生活污水，系統對有機物的去除能力還有富余，運行的負荷還沒(méi)有超出系統可承受的范圍，因而呈現出系統對COD 的去除效率隨負荷增加而增加。而在相同COD 負荷下，系統COD去除效果隨污泥轉移量的增加而降低，可以解釋為對于沒(méi)有進(jìn)行污泥轉移的傳統SBR，進(jìn)水COD 負荷的提高主要是由于進(jìn)水中有機物濃度的增加(污染物濃度更加接近于典型城市污水的水質(zhì))，因而保持了更高的去除效率; 而進(jìn)行污泥轉移的SBR中COD 負荷的提高主要是由于處理水量(充水比) 增加所致，而相應的水力停留時(shí)間從10. 2 h(R污= 0)縮短為7. 4 h(R污= 30%)，同時(shí)由于低負荷、長(cháng)泥齡下異養菌的內源代謝產(chǎn)物及胞外分泌物(ECP) 在系統中累積導致了出水COD 濃度相應增加，去除效率有所降低。
2. 2 不同污泥轉移量(R污)下TP 的去除
不同污泥回流比對TP 的去除如圖3 所示，30%的污泥污泥轉移量下系統對TP 的去除優(yōu)于15% 和0%兩種工況。對TP 的平均去除率達85%，出水TP 含量低于0. 3 mg /L，優(yōu)于《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》(GB18918-2002) 一級A 排放標準。15%的污泥轉移量下系統對TP 平均去除率約為61%，出水TP 濃度為0. 4 mg /L 左右; 在無(wú)污泥轉移下(R污= 0) 系統對TP 的去除率約為46%，出水TP濃度為0. 6 mg /L 左右。
圖3 不同污泥轉移量下TP 的去除
Fig．3 TP removal under different volumes of sludge transfer
在較高污泥轉移量下取得了顯著(zhù)的除磷效果，分析認為主要是在30% 的污泥轉移量下能夠保持更多的活性污泥(聚磷菌) 經(jīng)過(guò)厭氧生物選擇器進(jìn)行厭氧釋磷，然后在好氧環(huán)境中才能夠過(guò)量吸磷，并通過(guò)排泥實(shí)現系統對磷的凈去除，而該結論正是體現了聚磷菌強化除磷的基本原理。在傳統城市污水處理中磷的去處絕大部分為聚磷菌除磷，而同化除磷占少部分，但由于本系統中進(jìn)水TP 濃度低，有必要對系統中磷的去除途徑進(jìn)行分析。廢水生物除磷有兩條途徑: 同化脫磷和聚磷菌(PAOs 或DPB) 強化除磷。同化脫磷量公式根據細胞分子式C60 H87O23 N12 P可計算出磷占細胞質(zhì)量的百分比為0．023，折算成廢水中的濃度(CP) 為:
式中: YT為產(chǎn)率系數，取值0. 5; Kd為自身氧化系數(d-1)，取值0. 1; S0、Se為進(jìn)、出水BODu濃度(mg /L) ; fd為活性微生物衰減中被氧化降解系數，取值0. 8; θc為泥齡(d) 為15 d，選取了3 種工況穩態(tài)階段的九組平行水樣，按式(1) 計算得出的同化脫磷百分比量，其TP 去除率及同化除磷率見(jiàn)圖4。在污泥轉移量分別為30%、15% 和0% 工況下的平均同化除磷率分別為44%、43%和44%，而TP 去除率平均為85%、61%和46%。說(shuō)明在有污泥轉移的工況下，系統磷的去除由同化作用和聚磷菌強化除磷共同完成; 而在無(wú)污泥轉移量工況下系統中磷的去除主要為同化作用; 15% 工況下由于進(jìn)入厭氧生物選擇器污泥量較少，沒(méi)有足夠的聚磷菌進(jìn)行厭氧釋磷，后期好氧過(guò)程中吸磷不充分而導致除磷效率降低。
圖4 不同污泥轉移量下同化除磷效率分析
Fig．4 Assimilation of phosphorus removal under different volume of sludge transfer
2．3 不同污泥轉移量(R污)下氮的去除
不同污泥轉移量下氨氮和總氮去除效果如圖5和圖6 所示。結果表明，污泥轉移對系統氨氮及總氮去除率影響較明顯。污泥轉移量(R污) 分別控制為30%、15% 和0%，系統對氨氮的平均去除率為71%、80% 和92%; 對總氮的平均去除率為65%、54% 和45%。氨氮和總氮去除效率隨進(jìn)水氮負荷的增加而降低，出水氨氮濃度隨進(jìn)水負荷的增加而升高; 30%污泥轉移工況下的出水總氮效果明顯優(yōu)于15%和0%工況。
從系統氨氮去除效率分析，無(wú)污泥轉移硝化效率高于具污泥轉移的SBR工藝，因為污泥轉移功能使活性污泥經(jīng)歷厭氧/好氧交替過(guò)程，而在傳統SBR工藝中的活性污泥長(cháng)期處于好氧狀態(tài)，更有利于硝化細菌的生長(cháng)繁殖。再加上由于污泥轉移的實(shí)施，進(jìn)水負荷隨充水比的增加而增加，導致水力停留時(shí)間縮短，系統的硝化功能被削弱。
圖5 不同污泥轉移量下氨氮的去除
Fig．5 Ammonia removal under different volume of sludge transfer
圖6 不同污泥轉移量下總氮的去除
Fig．6 Total nitrogen removal under different volumes of sludge transfer
污泥轉移使系統氨氮去除率下降而總氮去除效率增加，隨著(zhù)污泥轉移量的增加系統對總氮的去除效率而得到加強。根據生物脫氮基本理論及出水水質(zhì)組分可以看出污泥轉移使系統的反硝化功能得到強化。分析其原因首先是厭氧生物選擇器的設置為部分硝酸鹽的反硝化提供了場(chǎng)所，污泥轉移過(guò)程中也攜帶部分硝酸鹽進(jìn)入厭氧生物選擇器，利用進(jìn)水中的易降解有機物完成反硝化。此外在厭氧選擇器進(jìn)行了快速吸附有機物的活性污泥進(jìn)入SBR，這部分活性污泥碳源的釋放也為SBR池中反硝化過(guò)程提供了條件。
系統中進(jìn)水氮濃度低，有必要對系統中氮的去除途徑進(jìn)行分析。生物脫氮分同化脫氮和異化脫氮兩種，假設微生物僅在好氧條件下獲得增殖，運行時(shí)的泥齡為θc，微生物細胞采用C60H87O23N12P來(lái)表示，設系統每天增殖的污泥量為ΔX，由泥齡的定義可計算出氮占細胞質(zhì)量的百分比為0. 122，則每天由于同化作用而去除的氮總量為0. 122ΔX。根據各工況穩態(tài)階段水樣計算得出同化脫氮率平均為18%左右，說(shuō)明系統大部分氮仍是通過(guò)異化脫氮途徑得以去除。
2．4 污泥轉移對系統處理能力及穩定性的影響
在進(jìn)水過(guò)程中，污泥從沉淀出水階段的SBR池轉移到另一進(jìn)水階段的SBR池，被轉移的污泥首先經(jīng)過(guò)厭氧生物選擇器，不同污泥回流比下系統總污泥經(jīng)過(guò)生物選擇器的篩選頻率如表2 所示。
表2 不同污泥回流比下生物選擇器的篩選頻率
Table 2 Screening frequency of biological selector under different sludge recycle ratios
污泥在生物選擇器的停留時(shí)間隨污泥回流比增加而減小，系統總的污泥每天經(jīng)過(guò)生物選擇器的次數隨污泥回流比增加而增加; 30% 污泥回流比條件下所有污泥每天經(jīng)過(guò)生物選擇器篩選次數為5. 4次，15%工況下為2. 7 次。污泥回流比越大，系統所有污泥經(jīng)過(guò)生物選擇器進(jìn)行絮凝性篩選次數就越多，從而保證了污泥良好的絮凝性能; 并且SBR中通過(guò)污泥轉移，使得各個(gè)反應池中污泥性狀相同，從而污泥轉移可以提高系統運行的穩定性。
在連續流反應器中，容積利用率定義為反應器實(shí)際發(fā)揮反應功能的容積占總池容的比值。序批式反應器中容積利用率定義為周期內參與反應的時(shí)間與相應可利用的容積乘積(T反應× V可利用) 占總時(shí)間與總容積乘積(T總× V總) 的比值。從表3 可看出，容積利用率隨充水比的增加而增加，系統在污泥回流比為30%時(shí)，容積利用率為53．7%; 而沒(méi)有污泥回流時(shí)，即按SBR工藝運行，容積利用率為44．3%。污水處理系統的體積一定時(shí)，容積負荷的提高有利于增加系統的處理量; 當污水處理量一定時(shí)，容積負荷的提高有利于減少污水處理系統的體積，從而降低基建費用。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
表3 不同污泥回流比下的處理能力
Table 3 Handling capacity of the system under different sludge recycle ratios
污泥轉移SBR工藝最顯著(zhù)特點(diǎn)是污泥能夠在各個(gè)SBR池反應池中轉移，實(shí)現了系統反應除污階段污泥濃度達到極大值，有利于提高污染物去除效果; 而在沉淀出水階段污泥濃度達到極小值，有利于提高系統充水比及處理能力。污泥轉移量的增加，則通過(guò)厭氧生物選擇器高污泥濃度梯度篩選出絮凝性微生物種群越多，進(jìn)而提高了系統中污泥的沉降性能，使充水比(容積利用率) 增加成為可能。
3 結論
污泥轉移SBR工藝處理低濃度生活污水的研究表明，污泥轉移強化了系統的脫氮除磷性能。污泥轉移量的大小對系統污染物去除效果影響顯著(zhù)，當污泥轉移量為(進(jìn)水流量) 的30%，總氮及除磷的平均去除效率分別從45% 和46% 提升至65% 和85%，出水COD、氨氮、TN 和TP 濃度達到GB18918-2002 一級A 標準。與傳統SBR工藝相比，采用30%的污泥轉移量可將處理能力提高近1 /2。
